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知光谷联合纳米人编辑部对2021年国内外科研团队在Adv. Mater.期刊的最新重要进展进行了梳理，共分四大板块：钙钛矿太阳能电池、发光二极管、有机太阳能电池以及钙钛矿材料的其他应用，今天给大家分享有机太阳能电池方向。 1. 18.16％, 单结OPV最高效率之一 长期以来，获得活性层的微调形态以促进电荷产生和电荷提取一直是有机光伏（OPV）领域的目标。浙江大学陈红征，左立见和香港中文大学路新慧等人报道了一种通过将逐层（LbL）过程和三元策略协同结合来解决上述挑战的解决方案。通过向PM6：BO-4Cl的二元供体：受体主体中添加混溶性较低的非对称电子受体BTP-S2，可以形成垂直相分布。经过LbL处理后，在OPV中供体富集在负极具有而受体富集在正极。LbL型三元OPV的最佳效率为18.16％（经认证：17.8％），是迄今为止报道的OPV的最高值之一。这项工作为实现具有预期形态的高效OPV提供了一种简便有效的方法，并证明了从目前的实验室研究到未来的工业生产，LbL型三元策略是制造OPV器件的有希望的途径。
https://onlinelibrary./doi/full/10.1002/adma.202007231 2. 17.8%效率！高效有机太阳能电池 供体（D）和受体（A）材料的固有电子特性与形态特征共同决定了有机太阳能电池（OSC）的输出。上海交通大学刘烽等人报道基于非富勒烯-受体的D–A1–A2三元共混物的紧密共晶混合的新物理特性，以微调整体异质结薄膜的形貌及其电子特性。随着薄膜结晶度的提高和载流子传输的改善，由于共晶原纤维薄层的形成和缺陷状态密度的降低，实现了短路电流的明显提升。在材料方面，具有更大驱动力的级联能级对齐，并抑制了复合通道，从而确保了有效的电荷传输和传输，使器件的光电转换效率提高到了17.84％。这些结果表明，利用特定的材料相互作用来控制混合膜中的结晶行为以形成良好的形态，进而指导卓越器件性能的重要性。有望推进OSC的效率突破。
https://onlinelibrary./doi/10.1002/adma.202007177 3. 17.62％记录效率的有机太阳能电池 侧链工程学一直是调节有机光伏材料的电子能级，分子间相互作用和聚集形态的有效策略，这对于提高有机太阳能电池（OSC）的效率（PCE）非常重要。中科院化学所的李永舫，Lei Meng和莫纳什大学Wenchao Huang等人设计并合成了两种D–A共聚物PBQ5和PBQ6，它们是基于联苯基-苯并二噻吩（BDTT）作为供体（D）单元，具有不同侧链的二氟喹喔啉（DFQ）作为受体（A）单元和噻吩作为π桥。基于PBQ6：Y6的OSC达到了17.62％的PCE，高填充因子为77.91％，大大高于基于PBQ5：Y6的OSC的PCE（15.55％）。17.62％的效率是具有聚合物供体和Y6受体的二元OSC的最高效率之一。
https:///10.1002/adma.202100474 4. 18%效率！纳米石墨烯-碳龙配合物界面层提高有机电池的效率 界面工程是有效提高非富勒烯太阳能电池(NFSC)光伏性能的关键方法。南方科技大学何凤，夏海平和厦门大学谭元植等人报道了一系列包含金属-纳米石墨烯的大过渡金属dπ-pπ共轭体系，通过碳龙和对二乙炔基六苯并晕酮的加成反应。共轭延伸设计用于优化这些金属-纳米石墨烯分子的π共轭，这些分子用作醇溶性阴极界面层(CIL)材料。通过X射线晶体学分析、界面接触法、形貌表征和载流子动力学研究表明，主要是由于强且有序的电荷转移、更匹配的能级排列、活性层和电极之间更好的界面接触以及受调节的形态。因此，极大地促进了载流子传输，同时阻碍了载流子复合。这些新的CIL材料广泛地能够增强其他系统中OSC的光伏特性，这为作为更高质量OSC的CIL提供了有希望的潜力。
https:///10.1002/adma.202101279 5. 18.6%记录效率！超过叠层的单结三元有机太阳能电池 三元策略是将第三种成分引入二元混合物中，为提高有机太阳能电池(OSC)的功率转换效率(PCE)开辟了一条简单而有前途的途径。在不牺牲OSC的光电流和电压输出的情况下，筛选选择合适的第三组件在三元器件中非常重要。北京航空航天大学孙艳明和南京大学张春峰等人展示了使用三元方法制造的高效OSC，其中设计了一种新型非富勒烯受体L8-BO-F并将其结合到PM6:BTP-eC9混合物中，获得了OSC的记录效率。L8-BO-F:PM6:BTP-eC9混合物显示出互补的吸收光谱和级联能级排列。研究发现，L8-BO-F和BTP-eC9形成均匀的混合相，这改善了供体和受体材料的分子堆积，并优化了三元共混物的形态。此外，在二元混合物中加入L8-BO-F抑制了非辐射复合，从而降低了电压损失。因此，实现了器件的开路电压、短路电流和填充因子的同时增加，实现了创纪录的18.66%的PCE，认证值为18.2%，这代表了到目前为止单结和串联OSC的最高效率值。
https:///10.1002/adma.202101733 6. 19.50%认证记录效率！双结串联有机太阳能电池 尽管串联有机光伏(OPV)电池具有实现更高光伏性能的极大潜力，但目前其最高功率转换效率(PCE)仍落后于最先进的单结OPV电池。中国科学院化学研究所侯剑辉、Zhong Zheng和苏州大学张茂杰等人通过优化具有低电压损失的光敏层并开发一种调节光场分布的有效方法来制造高效的双结串联OPV电池。所研究的串联OPV电池结构为氧化铟锡(ITO)/ZnO/底部光敏层/互连层(ICL)/顶部光敏层/MoOx/Ag。其中底部和顶部光敏层基于PBDB-TF的混合物:ITCC和PBDB-TF:BTP-eC11，ICL是指结构为MoOx/Ag/ZnO:PFN-Br的互连层。由于这些结果表明优化底部光敏层的空间不大，因此需要投入更多精力对顶部光敏层进行微调。通过合理调节PBDB-TF:BTP-eC11共混薄膜的成分和厚度，发现300 nm厚的PBDB-TF:BTP-eC11薄膜具有1:2 D/A比是理想的顶部光敏层子电池在光伏特性和光分布控制方面。优化后的串联电池实现了19.64%的PCE，这是OPV领域的最高结果，并被美国国家计量院认证为19.50%。
https:///10.1002/adma.202102787 7. 超13%效率！54 cm2大面积柔性有机太阳能组件问世！ 大面积柔性有机太阳能电池（OSC）的开发因其实际应用而备受青睐。然而，大面积柔性OSC的效率严重落后于小面积设备。华中科技大学周印华等人在面积为6 cm2和10 cm2获得了功率转换效率(PCE)分别为13.1%和12.6%的高效大面积柔性有机太阳能电池。AgNWs:PEI-Zn溶液法制备的柔性透明电极具有低表面粗糙度和良好的光电和机械性能。PEI-Zn具有导电性和光学透明性。在带负电的表面(AgNW)和带正电的质子化胺基团（PEI-Zn）之间的静电相互作用下，PEI-Zn可以粘附并包裹AgNW。AgNWs:PEI-Zn网络并填充空隙空间以实现光滑的表面。柔性电极在柔性OSC和柔性量子点发光二极管(QLED)中均得到了有效验证。小面积柔性OSC的PCE为16.1%，柔性QLED的外量子效率为13.3%。最后，研究人员演示了一个柔性模组，可以为手机充电作为灵活的电源。
https:///10.1002/adma.202103017 8. 超5%最高效率，单一材料有机太阳能电池 众所周知，结构明确的半导体分子材料具有特殊的优势，例如单分散性和可重复性，而不是多分散聚合物，后者在一定程度上包含链长分布和缺陷。随着时间的推移，单一材料有机太阳能电池（SMOSC）包含各种低聚D-A二分体和三分体，但目前效率仅为4.26%。埃尔朗根-纽伦堡大学Ning Li, Christoph J. Brabec和乌尔姆大学Peter Bäuerle等人合成了一种新型供体-受体二分体(dyad 二分体)，其中共轭低聚噻吩供体通过柔性烷基酯接头共价连接到富勒烯PC71BM，并在溶液处理的单材料有机太阳能电池(SMOSC)中用作光敏层。研究人员实现了出色的光伏性能，参数包括13.56mA cm-2的高短路电流密度(JSC)，从而在倒置架构电池中实现了5.34%的效率，是目前最高效率。此外，基于该二分体的SMOSC 显示出出色的稳定性，在模拟AM 1.5G照射下连续照明和运行750小时（一个月）后，仍能保持初始性能的96%。这些结果将加强合理的分子设计，以进一步开发具有潜在工业应用的SMOSC。
https:///10.1002/adma.202103573 9. 19%记录效率！单结有机太阳能电池 提高功率转换效率(PCE)对于拓宽有机光伏(OPV)电池的应用非常重要。中国科学院化学研究所侯剑辉和姚惠峰等人通过将材料设计与三元混合策略相结合，在单结OPV电池中实现了19.0% 的最高PCE值（认证值为18.7%）。研究人员合理设计了一种包含新型宽带隙聚合物供体PBQx-TF和新型低带隙非富勒烯受体(NFA)eC9-2Cl的活性层。通过优化光利用率，所得二元电池表现出17.7%的良好PCE。然后将NFA F-BTA3作为第三组分添加到光敏层中，以同时改善光伏参数。基于改进的光管理、级联能级匹配和增强的分子间堆积等作用，制备的器件的开路电压为0.879 V，短路电流密度为26.7 mA cm-2，填充因子为0.809。这项研究表明，高性能OPV电池的PCE的进一步提高需要对光敏层的电子结构和形态进行微调。
https:///10.1002/adma.202102420 10. 强强联手！面内/体相双重异质结提高有机太阳能电池性能 给体-供体异质结结构目前被发现用于有机太阳能电池中强束缚激子的分裂上非常成功，建立一种能够实现载流子传输的同时抑制载流子复合对于改善太阳能电池的效率非常重要。中科院化学所侯剑辉、姚惠峰，中科院宁波材料技术与工程研究所葛子义等报道通过构建平面内与体相异质结，实现了降低载流子能量损失，得到高效率有机太阳能电池。以苯并二噻吩-噻吩构建p型交替聚合物、n型萘酰亚胺分别修饰在p型聚合物光吸收层的靠近阴阳极的两端，构建了给体：供体异质结。这种在阴极、阳极电极附近修饰异质结显著改善了载流子的传输、抽取，有效抑制了载流子复合。通过这种异质结结构设计，发现光伏性能表征发现，得到的有机太阳能电池的非辐射能量损失降低了25 meV，最优的有机太阳能电池效率达到18.5%（认证电池效率达到18.2%）。本文研究结果为精确调控太阳能电池中的给体-供体异质结提供经验，为发展更高性能的有机太阳能电池提供指导。
https://onlinelibrary./doi/10.1002/adma.202103091 11. 18.9%效率！可挥发固体添加剂辅助制备高效有机电池 控制有机半导体的自组装以在体异质结活性层中形成成熟的纳米级相分离对于构建高性能有机太阳能电池(OSC)至关重要，但也具有挑战性。特别是，非富勒烯受体和p型有机半导体供体之间相似的各向异性共轭结构增加了操纵它们聚集以实现适当相分离的复杂性。苏州大学崔超华和国家纳米科学技术中心Jianqi Zhang等人通过利用二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]噻吩(DTT)和1-氯萘(CN)的协同效应，开发了一种调节光敏层形貌的新方法。具有高结晶度的可挥发固体添加剂DTT可以在薄膜沉积过程中限制非富勒烯受体的过度自组装，然后在热退火下使相分离和分子堆积的细化与DTT的同时挥发。因此，由CN和DTT双重添加剂制备的PTQ10:m-BTP-PhC6:PC71BM的三元 OSCs获得了18.89%的记录功率转换效率和显著提高的FF为80.6%。
https:///10.1002/adma.202105301 12. 用于高性能有机光伏电池的通用非卤化聚合物供体 非卤化聚合物由于其制备成本低的优势，在有机光伏(OPV)电池的商业化方面具有巨大潜力。然而，非卤化聚合物在溶液中通常具有高 HOMO 能级和较差的自聚集性能，从而导致低功率转换效率(PCE)。中科院化学所侯剑辉和Cunbin An等人制备了两种非卤化聚合物PB1和PB2，并表现出不同的光伏性能。当聚合物用于制造带有BTP-eC9的OPV电池时，基于PB1的设备仅提供5.3%的PCE，而基于PB2的设备显示出出色的PCE为17.7%。在引入PBDB-TF作为第三个组件后，基于PB2:PBDB-TF:BTP-eC9的最佳重量比为0.5:0.5:1 的设备实现了高达18.4%的PCE。更重要的是，PB2与各种非富勒烯受体表现出良好的相容性，以实现比基于经典聚合物（PBDB-T和PBDB-TF）的器件更好的CE。当PB2与宽带隙电子受体(F-BTA3)结合时，该器件在1000 勒克斯发光二极管照明的光强度下，对于1 cm2和10 cm2器件分别显示出27.1%和24.6%的优异PCE。这些结果为合理设计新型非卤化聚合物供体以进一步开发低成本材料和拓宽OPV电池的应用提供了新的见解。
https://onlinelibrary./doi/10.1002/adma.202105803 13. 近红外材料——有机光伏的转折点 近红外(NIR)吸收有机半导体为有机光伏(OPV)研究开辟了许多机会。例如，开发了新的化学和合成方法；单结太阳能电池效率从不到5%提高到19%左右；已经实现了诸如串联和透明有机光伏（TOPV）的新型器件架构。NIR供体/受体的概念因此成为OPV领域的一个转折点。加州大学洛杉矶分校杨阳等人回顾了用于OPV的NIR吸收材料的发展。根据低能量吸收窗口，研究人员将NIR光伏材料（p型（聚合物）和n型（富勒烯和非富勒烯））分为四类：700–800 nm、800–900 nm、900–1000 nm，并且大于1000 nm。每个小节将涵盖各种类型的供体(D)和受体(A)单元的设计、合成和利用。构建各种D、A单元与吸收窗之间的结构-性能关系，以满足不同应用的需求。随后，研究人员介绍了由NIR材料实现的各种应用，包括透明OPV、串联OPV、光电探测器。最后，讨论了用于下一代有机光伏及其他领域的新型NIR材料的挑战和未来发展。
https://onlinelibrary./doi/abs/10.1002/adma.202107330 14. 另辟蹊径！可视化有机太阳能电池中的复杂多长度尺度形态 有机光伏(OPV)和其他功能性软材料中的复杂形态通常决定了性能。OPV的这种复杂性源于中尺度上动力学捕获的非平衡状态，它控制着器件电荷的产生和传输。由于其化学和取向敏感性，共振软X射线散射(RSoXS)在过去十年中对 OPV的探索具有革命性意义。然而，对于非富勒烯OPV，由于活性层中使用的材料的化学相似性，碳K边缘附近的RSoXS分析一直具有挑战性。 上海交通大学Feng Liu和劳伦斯伯克利国家实验室Cheng Wang等人通过氮K边缘 RSoXS(NK-RSoXS)提供了一种创新方法，利用受体材料中氰基的空间和取向对比，可以确定相分离。NK-RSoXS首次清晰地可视化了PM6:Y6混合物中结晶和液-液分层的组合特征尺寸，确定了光电特性。NK-RSoXS还表明PM6:Y6:Y6-BO三元混合物具有减小的相分离尺寸和增强的材料结晶，可导致器件中的电流放大。氮在有机半导体和其他软材料中很常见，强大且定向的N1→π*共振使NK-RSoXS成为揭示中尺度复杂性和了解异质系统的有力工具。
https://onlinelibrary./doi/10.1002/adma.202107316 15. 最新记录效率！全小分子有机光伏器件 在全小分子有机太阳能电池（ASM-OSC）中，高短路电流（Jsc）通常需要小的相分离，而高填充因子（FF）通常在高度有序的堆叠系统中实现。然而，在 ASM-OSC中，小域和有序堆叠总是相互收缩，导致Jsc和FF相互限制。国家纳米科学技术中心Zhixiang Wei，Dan Deng和北卡罗来纳州立大学Harald Ade等人通过调节同分子和异分子相互作用同时获得良好的混溶性和有序堆积的策略来解决所面临的的问题。通过将小分子供体中的烷基硫醇化侧链从对位移动到间位，表面张力和分子平面度同步增强，从而产生与受体BTP-eC9良好的相容性和强大的自组装能力。结果，研究人员实现了具有多长度尺度域和高度有序堆积的优化形态。该器件具有较长的载流子寿命(39.8 us)和快速电荷收集能力(15.5 ns)。在ASM-OSC中获得了16.2%的创纪录效率和75.6%的高FF和25.4 mA cm-2的Jsc。这些结果表明，同时获得良好混溶性和高结晶度的策略是高性能ASM-OSC的有效光伏材料设计原则。
https://onlinelibrary./doi/10.1002/adma.202106316 16. 有机和钙钛矿太阳能电池中载流子动力学的比较
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